Wstrząsanie elektronem wzmocniło mechanikę kwantową

Data dodania: piątek, 24 sierpnia 2012, autor: ncbj.gov.pl

Gdy w jądrze atomowym dochodzi do rozpadu beta, elektrony orbitalne odczuwają zmianę ładunku elektrycznego jądra i przelot emitowanych przez nie cząstek. Fizycy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych przeprowadzili teoretyczne modelowanie takich procesów dla jądra helu-6 (6He).

Wyniki obliczeń potwierdził niedawny eksperyment w ośrodku akceleratorowym GANIL w Caen we Francji. Tym samym po raz pierwszy bezpośrednio zbadano poprawność jednej z najstarszych metod obliczeniowych mechaniki kwantowej - nagłego przybliżenia.

Rozpady jąder atomowych dostarczają informacji o fundamentalnych zjawiskach fizycznych zachodzących w świecie kwantów. Matematyczne modelowanie tych procesów jest jednak bardzo trudne. W Narodowym Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) przeprowadzono teoretyczną analizę zjawisk zachodzących podczas przemiany neutronu w proton w jądrze jednokrotnie zjonizowanego atomu helu-6. Naukowcom udało się przewidzieć wpływ przemiany jądrowej na jedyny elektron orbitalny. Obliczenia, właśnie potwierdzone w eksperymentach we francuskim ośrodku jądrowym GANIL w Caen, umożliwiły pierwszą w fizyce jądrowej bezpośrednią weryfikację doświadczalną nagłego przybliżenia (sudden approximation), jednej z najstarszych metod obliczeniowych mechaniki kwantowej.

Jon helu-6, analizowany przez fizyków z NCBJ, zawiera jeden elektron wokół jądra zbudowanego z dwóch protonów i czterech neutronów. Ze względu na znaczny nadmiar neutronów jądro nie jest stabilne. Nadmiar neutronów jest usuwany przez zamianę jednego z nich w proton. W procesie, znanym jako rozpad beta minus, emitowany jest elektron i antyneutrino elektronowe. Efektem rozpadu beta minus jonu helu-6 jest jon litu-6.

- Podczas przemiany jądra elektron orbitalny odczuwa dwa procesy. Pierwszy to zmiana ładunku elektrycznego jądra, bo z dwóch protonów nagle zrobiły się trzy. Drugi proces to przelot ujemnie naładowanego elektronu z rozpadu beta. Sporo się dzieje i elektron orbitalny reaguje na zmiany: jest »wstrząsany«, czyli albo wzbudzany na wyższy orbital, albo wyrzucany poza atom - wyjaśnia dr hab. Zygmunt Patyk, prof. NCBJ.

W mechanice kwantowej do opisu cząstek wykorzystuje się funkcje falowe. Pozwalają one określić prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w określonym stanie.

- Badany przez nas jon helu-6 miał niemal podręcznikową budowę: jeden elektron orbitalny, opisany funkcją falową, przebywał w stosunkowo prostym potencjale jądra helu - tłumaczy dr Katarzyna Siegień-Iwaniuk z NCBJ.

Wyemitowany przez przekształcające się jądro elektron porusza się z prędkością bliską prędkości światła i przecina chmurę elektronową wokół jądra w czasie miliardowych części jednej miliardowej sekundy. Gdy fizycy zajmujący się mechaniką kwantową mają do czynienia z tak szybkimi procesami, rozkładają funkcję falową stanu początkowego (w tym przypadku: elektronu w jonie helu-6) na całe spektrum funkcji opisujących stan końcowy (tu: elektronu w jonie litu). Ten teoretyczny zabieg, znany jako nagłe przybliżenie i stosowany niemal od narodzin mechaniki kwantowej, w fizyce jądrowej nigdy nie został bezpośrednio sprawdzony doświadczalnie.

Grupa prof. Zygmunta Patyka od kilku lat współpracuje z fizykami z ośrodka jądrowego GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions Lourds) w Caen w północno-zachodniej Francji. Obliczenia fizyków ze Świerku, przeprowadzone z dokładnością do czterech miejsc znaczących, pozwoliły przewidzieć, że do uwolnienia elektronu - a zatem do całkowitego zjonizowania powstającego litu - dojdzie z prawdopodobieństwem ok. 2,3%. Eksperymenty we francuskim akceleratorze potwierdziły ten wynik, z porównywalną dokładnością.

- Tak dobra zgodność przewidywań teoretycznych z wynikami pomiarów, i to w tak prostym, wręcz modelowym układzie, to pierwszy bezpośredni dowód poprawności nagłego przybliżenia, metody obliczeniowej stosowanej w mechanice kwantowej od niemal wieku - podkreśla prof. Zygmunt Patyk.

Fizykom z NCBJ udało się także określić przyczyny prowadzące do uwolnienia elektronu. Z analiz teoretycznych wynika, że za uwolnienie w 99% przypadków jest odpowiedzialna zmiana ładunku jądra. Elektron z rozpadu beta, emitowany przez jądro, ma tylko jedną szansę na sto, że wyrzuci elektron orbitalny poza zasięg oddziaływania jądra.

Praca naukowa opisująca analizę teoretyczną i doświadczenie, autorstwa polskich i francuskich fizyków, została niedawno opublikowana w znanym czasopiśmie "Physical Review Letters". Badania grupy polskiej były finansowane z dotacji Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz grantu Narodowego Centrum Nauki.

Źródło: © Narodowe Centrum Badań Jądrowych